基于有限元分析的鐵舾件優化設計

陳正云

（上海外高橋造船有限公司 上海200137）

引 言

船舶舾裝產品的質量雖然只占全船空船質量的5%～8%，但也存在著“減重”的問題。造成我國船舶比日韓重的原因有許多。有材料方面，國外用的鋼材強度比我們好；有結構設計上的問題，我們的裕度大；也有設備上的問題，我國的船舶配套設備無論是標準產品還是新研制產品，大多帶有“傻大笨粗”的痕跡，安全系數偏高，強度裕度偏大［1］。舾裝產品減重一方面有助于減少原材料消耗，降低成本。另一方面也有利于減輕船舶空船質量，降低航運公司船舶運營成本。設計是源頭，因此船舶舾裝減重要從設計抓起。

1 鐵舾件設計現狀分析

1.1 市場因素

前幾年船市空前火爆，船廠和船舶配套企業的業務普遍興旺，產品供不應求，企業普遍缺乏產品革新的動力。而現在船市低迷，船配企業業務也受到很大影響，相互之間的競爭日益激烈，在這種情況下，產品質量就成為競爭取勝的關鍵因素，苦練內功、提升產品技術含量成為許多企業的必然選擇。對于舾裝來說，產品輕質化正是其提升產品質量的最佳選擇之一。

1.2 設計人員設計理念

對于舾裝鐵舾件設計來說和選用不同尺寸型鋼，不同通徑的管子等是設計人員要掌握的一項技能。而目前設計人員往往憑借經驗選取型材尺寸。在實際建造過程中若沒有問題就一直延續下去，發現問題再給予加強或更換。這樣造成的結果就是：有可能選用了規格過大的型材，導致成本的上升和鐵舾件的增重。

相對全船質量而言，舾裝產品僅是“小頭”，因此我們即使知道我們的產品比日韓同類產品笨重、費料，也沒引起重視。然而這種粗大、笨重、復雜的產品已經與節能減排，建設節約型社會的大環境不相適應。另外，鐵舾件的設計一直秉承著選材規格高、結構形式復雜的理念，以達到提高強度的目的。在遵循規范的前提下，普遍存在選材過于保守以及余量層層加碼的習慣，這就使設計產品自重偏大。同時，設計人員經驗不夠豐富，計算精準度尚待提高，也是導致產品自重偏大的重要原因［2］。

2 優化設計方法

鐵舾件的輕型化就是在滿足鐵舾件功能強度的前提下，盡量使用規格較小的材料或者優化型式等方法制作，從而達到節省材料，降低成本減輕空船質量的目的。在目前的設計基礎上，選取部分典型節點利用有限元進行強度分析，優化設計，選取合適的型材。以點帶面，進行推廣，擺脫緊緊依靠經驗設計的不準確性。

2.1 優化鐵舾件的界定

目前擬定優化的鐵舾件有以下幾種：小車過道、人行過橋、錨絞機操作平臺、備錨基座、前桅、雷達桅、艙內平臺、舵機操作平臺、首尾尖艙擱架、各類管系支架托架等。另外按照設備工作區域不同，其工作環境也有所不同。有開敞區域、半開敞區域、室內以及靠近主機和螺旋槳等激振源附近區域等。工作環境不同對鐵舾件要求會有所不同，有些不僅僅要考慮強度問題，也要重點考慮振動問題。比如舵機艙操作平臺、前桅、雷達桅等［3］。

2.2 優化型材方案

目前我廠所用鐵舾件常用材料為：角鋼L75×75×8（單位：mm）。一直以來，舾裝設計人員比較關注的是安全性和穩固性，對于質量控制和成本因素考慮得比較少。因此，設計人員在選型時，選取的規格較高，設計的鐵舾件較笨重，不僅增加了材料成本，也給現場施工增加了一定的難度。

在優化設計初期先向組內設計人員征詢需優化鐵舾件清單，制定相應優化計劃，利用有限元軟件計算分析，逐步優化各類鐵舾件。經過反復校核其強度以及部分鐵舾件的振動，并結合不同項目實施過程中的探索和總結，分別嘗試用較小規格的角鋼替代原來L75×75×8的角鋼，選取部分優化鐵舾件，替換情況如表1所示。

表1 部分鐵舾件型材替換表

2.3 優化設計實例

散貨船是我公司主打產品，后續也有相當數量的訂單。此次在原180KBC的設計基礎上進行優化，并將有限元計算數據和報告整理歸類，為優化型材在后續船上的推廣和運用提供數據支持。同時在送審船東、船檢時，可提供數據支持。下面就以180KBC中B型小車過道和舵機操作平臺作為優化實例，來具體介紹優化過程。

2.3.1 B型小車過道優化設計

選取180KBC中B型小車過道的樣式，將原先的角鋼L75×75×8 mm替換為L50×50×6 mm進行有限元建模分析，模型如圖1。按照每人所占面積0.35 m2的標準可計算出人行過橋上的大約人數，假設人均質量為100 kg，小車及物品500 kg。由此可得出過橋上所承受的最大載荷，假設小車過道端部約束為簡支，模型加載和邊界情況如圖2所示。

圖1 小車過道有限元模型

圖2 小車過道加載及約束

計算可得出角鋼替換為L50×50×6 mm時，小車過道最大應力為172 MPa，結果見圖3。小車過道所用材料的屈服應力為235 MPa，根據HCSR規范第7章6.2.1，應力衡準為1.36 σyd，即1.36×235=319.6 MPa。可見型材替換后完全符合結構的強度要求，此方案是可行合理的。另外，根據甲板上小車過道所處區域以及自身特點，按照規范要求只需考慮強度即可，振動可不作考慮。

圖3 小車過道應力云圖（L50×50×6 mm）

2.3.2 舵機操作平臺設計優化

選取H1466船上所用舵機操作平臺進行優化，將原先所用L75×75×8 mm角鋼替換為L63×63×6 mm。舵機操作平臺各部件之間不是焊接的，因此有限元分析時需要對各個部件分別進行建模分析。選其中某一部件有限元建模。假設這一部分平臺站滿人約8人，每人100 kg ，模型加載及約束如圖4。

圖4 舵機操作平臺載荷和邊界條件

根據平臺角鋼是L63×63×6 mm進行強度分析。應力大小為10.9 MPa，遠遠小于許用應力，結果如下頁圖5。如僅考慮強度，平臺角鋼可進一步優化減小規格，但舵機操作平臺所處區域在尾部，距離主機和螺旋槳都比較近，此處容易出現振動問題，在以往的實船中也多次發現振動問題。因此舵機操作平臺振動問題不可忽視。若進一步降低型材規格，平臺剛度會下降，從而固有頻率降低，容易共振。故先計算型材規格為L63×63×6 mm時的平臺固有頻率，根據結果酌情考慮是否可進一步優化。選H1466船的主要參數先計算激振頻率，參數如下：

圖5 舵機操作平臺應力云圖

主機 ：MAN6G70ME-C9.5HP SCR&EGB ；

SMCR： 15 748 kW×75 RPM；

螺旋槳： 4葉。

激振力來源于主機和螺旋槳。螺旋槳激振力最大葉頻為（SMCR/60）×4，基于我們舾裝件修改的方便性，只要考慮到倍葉頻（SMCR/60）×8即可。該船使用的是6缸機，其6階激振力最大頻率等于（SMCR/60）×6，此頻率已在倍葉頻范圍之內。因此以倍葉頻作為衡準，即可根據參數算出倍葉頻為10 Hz，再加上20%的余量便為12 Hz。有限元建模分析舵機操作平臺固有頻率，計算結果及振型圖如圖6-圖8所示，一階固有頻率12.369 Hz，二階固有頻率12.911 Hz。

圖6 舵機操作平臺某點振型/頻率圖

圖7 平臺一階振型圖（12.369 Hz）

圖8 平臺二階振型圖（12.911 Hz）

以上分析表明優化后舵機操作平臺的固有頻率已達到目標值以上，避開了共振。但富余量并不是很大，若在不改變平臺型式的基礎上進一步降低型材規格，必然會降低整個平臺的剛度，導致固有頻率降低，從而低于倍葉頻容易引起共振。因此，在原有結構型式的基礎上暫優化角鋼規格為 L63×63×6 mm。

3 經濟效益

舾裝件優化設計方法是在滿足設計要求的前提下，通過采用低規格型號的鋼材，達到節約成本和控制質量的目的。經過幾個項目的摸索和實踐，這一技術成果已準備應用于后續新項目中。目前210KBC正處于詳細設計送退審階段，優化結果已在這個項目上有所推廣和應用。優化后的鐵舾件質量控制效果明顯，表2是210KBC這條船的鋼材節約統計表。

表2 210KBC部分鐵舾裝件鋼材節約統計表

通過表2可看出，目前部分優化的鐵舾件可降低7.63 t的鋼材。艙內平臺在船上用量最大，因此優化的質量最多。部分鐵舾件節約質量看上去并不是很大，但該優化思路可以進一步推廣，用在廣義舾裝件以及后續船上。其前景將相當可觀。

4 結 語

有限元分析現已廣泛應用于船體結構設計，但對舾裝件的有限元分析卻一直是一個空白。由于舾裝產品減重涉及產品結構、強度、規范滿足性等方面的問題，因此需要較多的技術與規范儲備，再加上舾裝產品普遍具有品種及規格多樣的特點，出現問題也可事后加強補救，因此就忽略了舾裝件的優化。作為基層設計人員，此次不僅做了大膽嘗試，也完善了設計手段，將有限元分析法較好地運用于舾裝件優化設計中。既可使船舶設計緊跟時代發展需求，也為以后舾裝件減重大力推廣打下堅實基礎。